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Étude d’un procédé d’amincissement abrasif pour la fabrication de cellules solaires minces triple-jonctions III-V/Ge
No full textLes cellules photovoltaïques multi-jonctions sont des cellules solaires à très haut rendement.
Elles sont historiquement utilisées dans le domaine spatial, notamment sur les satellites,
mais aujourd’hui leur domaine d’application s’est étendu jusque sur terre dans le cadre
de fermes solaires. Malheureusement, leur coût de fabrication reste une grosse contrainte
et limite leur application. C’est avec la technologie du photovoltaïque concentré (CPV),
utilisant concentrateurs et systèmes de suivi solaire, que ce type de cellules devient com-
pétitif sur le marché. Cette étude propose de s’intéresser à l’amincissement de cellules
solaires multi-jonctions. Les perspectives et les intérêts envisagés de cet amincissement
sont prometteurs. Cela pourrait permettre une meilleure gestion de la chaleur induite par
la concentration du soleil et une diminution de la résistance série. De plus, la démonstra-
tion de cellules amincies avec un rendement équivalent aux cellules standards donnerait
encore plus d’intérêt au développement de procédé de recyclage du substrat en vue de ré-
duire le coût de fabrication. Ce procédé pourrait également permettre de réduire le poids
de la cellule, ce qui serait très profitables au domaine spatial où la production électrique
par unité de surface et de poids doit être maximisé. En nous inspirant des technologies 3D
sur silicium, qui utilisent déjà des substrats amincis, nous allons mettre en place un proto-
cole d’amincissement abrasif de substrat en germanium et l’intégrer dans le processus de
fabrication de cellules triple-jonctions. Nous présenterons la caractérisation et la mise en
fonctionnement d’un outil d’usinage par abrasion désormais disponible au 3IT. Les résul-
tats obtenus sur des gaufres de Silicium seront présentés afin de fournir une vue générale
des capacités de l’instrument. L’influence de différents paramètres (notamment de la vi-
tesse d’amincissement) sur la rugosité de surface et sur l’homogénéité de l’amincissement,
seront étudiées. Nous verrons ensuite son application à l’amincissement de substrat en
Germanium avec le développement d’un procédé de fabrication de cellules solaires minces
triple-jonctions comprenant, le collage sur gaufres de Silicium, l’amincissement abrasif et
le collage métallique de report. Nous montrerons qu’il est possible d’amincir le substrat
en Germanium, d’un empilement de matériaux III-V, avec un usinage par abrasion (le
meulage), en mettant notamment en évidence l’importance de la planéité du collage sur
la gaufre support. Nous verrons également que la méthode d’amincissement par abrasion
peut sévèrement endommager la structure et causer des fissurations, que nous pouvons
contrôler avec la vitesse d’amincissement et l’épaisseur de polymère utilisé comme collage.
Enfin nous démontrerons l’amincissement d’une cellule photovoltaïque réduisant l’épais-
seur de son substrat de 170 μm à 40 μm
Fabrication de cellules triple-jonction à multi-terminaux
Full text linkDans l’industrie du photovoltaïque à concentration, les cellules utilisées sont des cellules à jonctions multiples vu qu’elles permettent d’atteindre des efficacités élevées. Celles qui nous intéressent sont des cellules monolithiques triple-jonction à base d’InGaP/ InGaAs/Ge pouvant atteindre un rendement plus que 40 % sous concentration. Communément, on dépose deux contacts sur la face avant et en dessous de la face arrière qui constituent consécutivement le contact émetteur et le contact base, d’où l’architecture à deux terminaux. Dans cette architecture, les sous-cellules sont électriquement interconnectées en série. Si on veut améliorer les performances de la cellule triple-jonction, il est primordial d’avoir des informations électriques sur chaque sous-cellule, d’où la nécessité de les caractériser individuellement. Cependant, avec l’architecture à deux-terminaux, les caractérisations des sous-cellules ne sont pas évidentes. D’où l’idée de fabriquer des cellules triple-jonction à multi-terminaux telles que les sous-cellules sont électriquement indépendantes, ce qui permet d’avoir un accès direct à chacune d’elles et les caractériser sur une base individuelle. Dans le cadre de cette recherche, un procédé de gravure chimique sélective des différentes couches d’empilement à base d’InGaP/InGaAs/Ge a été développé en utilisant des solutions chimiques à base de H2SO4/H2O2/H2O et HCl/ H3PO4. Ce procédé a visé à réaliser une architecture permettant, par la suite, le dépôt des contacts métalliques Pd/Ge/Ti/Pd/Al, Pt/Ti/Au, Cu/Pt/Ti/Au and Ni/Au sur chacune des sous-cellules en utilisant les techniques de fabrication souvent utilisées telles que la photolithographie et l’évaporation. Finalement, des caractérisations en obscurité des différentes sous-cellules indépendantes électriquement ont été effectuées afin de montrer la fiabilité du procédé de fabrication proposé.Abstract : In the concentrated photovoltaic industry, cells often used are multi-junction cells as they can achieve high efficiencies. Cells of interest are monolithic triple-junction cells based on InGaP/InGaAs/Ge that can achieve efficiencies higher than 40% under concentration. Commonly, two contacts are deposited on the front side and underneath the back side which consecutively constitutes the emitter contact and the base contact, hence the two-terminal architecture. In this architecture, the sub-cells are electrically interconnected in series. To improve the performance of the triple-junction cell, it is essential to have electrical information about each sub-cell, hence the need to characterize them individually. However, with the two-terminal architecture, characterizations of sub-cells are not straightforward. Hence, the idea of fabricating multi-terminal triple-junction cells such that sub-cells are electrically independent, allowing direct access to each of them and characterizing them on an individual basis. In this research, a process for wet selective etching of the InGaP/InGaAs/Ge’s stack layers was developed using chemical solutions based on H2SO4/H2O2/H2O and HCl/H3PO4. This process aimed to achieve an architecture allowing the subsequent deposition of Pd/Ge/Ti/Pd/Al, Pt/Ti/Au, Cu/Pt/Ti/Au and Ni/Au metal contacts on each of the sub-cells using commonly used fabrication techniques such as photolithography and evaporation. Finally, dark characterisations of different electrically independent sub-cells were carried out to test the reliability of the proposed fabrication process
Analyse des facteurs de perte dans les systèmes photovoltaïques sur suiveurs solaires dans un climat continental humide
Full text linkDans le contexte de trouver des solutions aux problèmes causés par les combustibles fossiles en utilisant des sources d'énergie renouvelables, les technologies photovoltaïques (PV) sont devenues importantes dans de nombreux endroits du monde au cours des dernières décennies. Par conséquent, évaluer et analyser ces systèmes dans différents endroits avec leurs caractéristiques météorologiques spécifiques est crucial pour les décideurs. Dans cette étude, trois types de technologies PV - les systèmes monofaciaux et bifaciaux à deux axes avec des modules PV standard, et les systèmes photovoltaïques concentrés (CPV) avec un système de suivi à deux axes - ont été examinés à Sherbrooke, au Québec, Canada, où le climat est de type continental humide. Les résultats montrent que les systèmes monofaciaux et bifaciaux subissent environ 4% de pertes dues à un mode de fonctionnement dégradé en cas de vents forts ou de très basses températures. En plus de ces pertes, nos systèmes ont subi des pertes supplémentaires de 12 et 9% causées en partie par la neige, plus prononcées pour les modules monofaciaux que pour les bifaciaux. Pour les systèmes CPV, le givre est le principal facteur de perte, suivi par la neige. Nous avons proposé une méthode pour prendre en compte l'effet négatif de la neige et du gel en ajoutant des facteurs de salissure mensuels à notre modèle de prédiction, basés sur les chutes de neige mensuelles et la température ambiante. En appliquant cette méthode, nous avons réduit l'erreur entre la production d'énergie prévue et réelle de près de 25 à 5%, ce qui montre que notre modèle fonctionne bien dans un climat continental humide pour les systèmes CPV.In the context of addressing fossil fuels related issues by harnessing renewable energy sources,
photovoltaic (PV) technologies have emerged as significant players around the globe in recent
decades. Hence, evaluation and analysis of this systems in different location with their specific
characteristics of weather conditions can be very important for decision makers in this regard. In
this research work, three types of PV technology as two-axis monofacial and bifacial systems with
standard PV modules and concentrated photovoltaic (CPV) systems which benefit from two-axis
tracking system as well, are analyzed in Sherbrooke, Quebec, Canada under a humid continental
climate based on the simulation and experimental results of the systems. The results show that due
to safe mode operation (stow mode) that is required in case of high wind or very low temperature,
monofacial and bifacial systems suffer from approximately 4% of losses. In addition to these
losses, our systems experienced from 12 and 9% additional losses that include snow-induced losses
and that are more pronounced for monofacial modules than for bifacial ones. About CPV systems,
frost as the dominant factor and snow the second reason are introduced as main loss factors in such
climate. A method is proposed to account for the negative effect of snow and frost on the system,
by adding monthly soiling factors in the predictive model. The monthly soiling factors are modeled
based on average monthly snow fall and ambient temperature. Applying this method, decrease in
Root Mean Square Error (RMSE) between predicted and actual energy production from close to
25 to 5 % validates our model in humid continental climate for CPV systems
Improvement of the industrial applicability of the PEELER approach for III-V solar cells detachment from germanium substrates
No full textLes cellules solaires commerciales composées d’un empilement d’éléments III-V cru sur substrat de germanium (Ge) sont très largement utilisées dans le domaine industriel spatial. Ces dispositifs photovoltaïques hautes performances peuvent cependant être optimisés. En effet, seule une fraction (environ 5%) de l’épaisseur totale des wafers de Ge utilisés participent au fonctionnement des cellules, le reste n’étant présent qu’en tant que soutien mécanique. Pour réduire l’utilisation de ce matériau, plusieurs techniques innovantes visant à créer une interface séparatrice entre les couches épitaxiales (actives) et leur substrat ont été développées ces dernières années. Le projet PEELER, qui a pour but de fabriquer des cellules III-V détachées de leur substrat ainsi que de reconditionner et réutiliser les wafers après séparation, se base sur l’une de ces techniques : la gravure électrochimique. Associée à un recuit in situ lors d’une croissance épitaxiale de germanium (Gebuffer), cette procédure de porosification en surface induit la formation d’une couche fragilisée qui, a posteriori, permet la séparation des cellules solaires avec leur substrat. Cette approche, bien qu’étant l’une des plus prometteuses en termes de rapidité, de facilité de mise en place ou encore de coût, nécessite des développements pour maintenir sa compétitivité face à une potentielle industrialisation. Ce procédé doit notamment répondre à des critères concernant la durée de vie des wafers après porosification, la possibilité de détachement des couches épitaxiales et la fabrication de cellules hautes performances sur poreux. Cette thèse s’est donc naturellement axée sur ces trois points spécifiques.
Dans une première étude ayant pour but d’optimiser la durée de vie des wafers après porosification, nous avons tout d’abord constaté par microscopie électronique à balayage (MEB) que le germanium poreux (Geporeux) exposé à l’air libre (salle blanche) pendant plusieurs mois présentait des détériorations structurales importantes. Pour comprendre les raisons de ces transformations, nous avons alors procédé à une analyse de composition par spectroscopie photo-électronique X (XPS). Celle-ci démontrant la présence d’oxygène, nous avons pu conclure que le principal responsable de cette dégradation était donc l’oxydation du germanium. Afin d’identifier les mécanismes et paramètres mis en jeu lors de cette modification morphologique, une étude plus approfondie sur le vieillissement des échantillons porosifiés dans différentes conditions de stockage sur une durée de trois mois a finalement été entreprise. Les résultats de ces recherches montrent clairement que les modifications dans la structure poreuse son dus principalement à la synergie de l’humidité et du dioxygène ambiant. Cette combinaison, exacerbée par la présence de lumière, est à l’origine de la formation massive de GeO2 (relatif à l’état d’oxydation Ge4+) qui, localement, forme des amas tout en augmentant la porosité sur l’ensemble de la couche de Ge nano-structurée. Grâce à ces observations, nous avons été en mesure de proposer des solutions pour palier à ces problèmes de détérioration comme l’utilisation d’un traitement de pré-stockage acide à base de 49% HF : Éthanol (1 :198) ou encore la mise en place d’une procédure d’encapsulation d’échantillons dans des sacs métalliques opaques hermétiques scellés sous enceinte d’Argon.
Dans une seconde étude visant à prouver que des couches épitaxiales micro-fabriquées crues sur germanium poreux peuvent être détachées entièrement sans dommage, des contacts métalliques ont été déposés sur la face avant de trois échantillons de 2cm2 possédant une couche épitaxiale de Gebuffer de 1,5 μm d’épaisseur crue sur 200 nm de Geporeux. Ces membranes métallisées ont ensuite été détachées mécaniquement grâce l’utilisation d’une résine thermo-durcissante soluble et de substrats hôtes rigides (silicium et verre). Sur les trois membranes de Gebuffer alors transférées
aucune ne présente de défauts ponctuels ou de fissures induites lors de la séparation avec le substrat d’origine. Ces résultats démontrent donc l’efficacité de la procédure utilisée et donne par la même occasion la preuve qu’il est possible de détacher des cellules solaires de type III-V crues et fabriquées sur substrats PEELER (Gebuffer /Geporeux/Gebulk) tout en maintenant leur intégrité structurale.
Finalement, dans une dernière étude ayant pour objectif de démontrer la possibilité de créer des cellules III-V performantes sur substrat poreux, une structure simple-jonction de GaAs est crue par dépôt chimique organométallique en phase vapeur (MOCVD) sur un substrat PEELER 4’’. Plusieurs séries de 84 cellules de 1×1mm et 3×3mm sont alors micro-fabriquées en face avant (sans couche anti-reflet) à différents endroits du wafer via un masque de photolithographie sur des échantillons clivés de 2cm2. Sur l'ensemble des cellules créés, 25 d’entre elles ont été aléatoirement sélectionnées et caractérisées électriquement (station quatre pointes sous simulateur 1 soleil) afin de tester l’homogénéité des performances sur l’intégralité de la surface du wafer 4’’. Les résultats, obtenus sur 22 cellules fonctionnelles, mettent en évidence des efficacités qui varient entre 21,2 et 23,1% (AM1.5G à 25°C). En plus d’être équivalents aux mêmes cellules fabriquées sur substrats de germanium non-porosifiés, les rendements observés placent ces cellules amincies sur substrat PEELER parmi les meilleurs de la littérature dans leur catégorie (cellules solaires simple jonctions Ga(In)As détachables fabriquées sur substrats porosifiés).
Malgré l’absence de détachements complets de couches épitaxiales (ou de cellules) sur des surfaces 4’’, ces résultats de recherche montrent que l’utilisation de la gravure électrochimique pour la fabrication de cellule III-V amincies a le potentiel d’être industrialisable, la rendant très compétitive face à d’autres méthodes de création d’interfaces séparatrices concurrentes.Commercial solar cells composed of a stack of III-V elements on a germanium (Ge) substrate are widely used in industrial applications in space technology. These high-performance photovoltaic devices can be further optimized. Currently, only a fraction (about 5%) of the total thickness of Ge wafers used in these cells contributes to their operation, with the rest serving as mechanical support. To reduce the use of this material, innovative techniques have been developed in recent years to create a separating interface between the epitaxial (active) layers and their substrate. The PEELER project aims to manufacture III-V solar cells detached from their substrate and to refurbish and reuse the wafers after separation. The approach relies on electrochemical etching, which, when combined with in situ annealing during germanium epitaxial growth (Ge buffer), induces the formation of a weakened layer allowing subsequent separation of the solar cells from their substrate. Although this method is one of the most promising in terms of speed, ease of implementation, and cost, it requires further development to maintain its competitiveness for potential industrialization. This process needs to meet criteria related to the lifespan of wafers after etching, the possibility of detaching the epitaxial layers, and the fabrication of high-performance cells on porous substrates. This thesis has naturally focused on these specific aspects. In the first study aimed at optimizing the lifespan of wafers after etching, it was observed through scanning electron microscopy (SEM) that porous germanium (Ge porous) exposed to ambient air (cleanroom) for several months exhibited significant structural deterioration. To understand the reasons for these transformations, a composition analysis using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was conducted. This analysis revealed the presence of oxygen, leading to the conclusion that the main cause of this degradation was germanium oxidation. To identify the mechanisms and parameters involved in this morphological modification, a comprehensive study of sample aging under various storage conditions over three months was undertaken. The results clearly showed that changes in the porous structure were primarily due to the synergy of ambient humidity and oxygen. This combination, exacerbated by light exposure, led to the massive formation of GeO2 (related to the Ge4+ oxidation state), which locally formed clusters while increasing the overall porosity of the nanostructured Ge layer. Based on these observations, solutions were proposed to address these deterioration issues, such as using an acid pre-storage treatment based on 49% HF: Ethanol (1:198) or implementing an encapsulation procedure for samples in hermetically sealed opaque metal bags under an argon atmosphere. In the second study, aimed at proving that microfabricated epitaxial layers grown on porous germanium could be fully detached without damage, metal contacts were deposited on the front side of three 2 cm² samples with a 1.5 μm thick Ge buffer layer grown on 200 nm of Ge porous. These metalized membranes were then mechanically detached using a soluble thermosetting resin and rigid host substrates (silicon and glass). None of the three Ge buffer membranes transferred exhibited punctual defects or induced cracks during separation from the original substrate. These results demonstrated the effectiveness of the procedure used and provided evidence that it is possible to detach III-V solar cells fabricated on PEELER substrates (Ge buffer/Ge porous/Ge bulk) while maintaining their structural integrity. Finally, in a third study aiming to demonstrate the possibility of creating high-performance III-V cells on porous substrates, a simple GaAs single-junction structure was epitaxially grown using metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) on a 4'' PEELER substrate. Several series of 84 cells with dimensions of 1×1 mm and 3×3 mm was microfabricated on the front side (without anti-reflection coating) at different locations on the wafer using photolithography masks on cleaved 2 cm² samples. Out of the created cells, 25 were randomly selected and electrically characterized (four-point probe under 1 sun simulator) to test the performance homogeneity across the entire 4'' wafer surface. The results obtained from 22 functional cells showed efficiencies ranging from 21.2% to 23.1% (AM1.5G at 25°C). These efficiencies were not only equivalent to cells fabricated on non-porous germanium substrates but also positioned these thinned cells on PEELER substrates among the best in the literature for their category (Detachable Ga(In)As single junction solar cells micro-fabricated on porosified substrates). Despite the absence of complete detachment of epitaxial layers (or cells) on 4'' surfaces, these research results demonstrate that electrochemical etching for the fabrication of thinned III-V cells has the potential to be industrialized, making it highly competitive compared to other methods of creating separating interfaces
Étude de l'énergie solaire sur la lune reçue par des systèmes photovoltaïques fixes et traqués
Full text linkL’exploration lunaire nécessitera un système de production d’énergie renouvelable local,
dont la conception nécessite des estimations de l’énergie solaire reçue en fonction de l’emplacement
et du mode d’installation d’un système photovoltaïque. A travers cette maîtrise,
nous avons développé une méthode pour calculer l’énergie solaire reçue par une surface en
tout point de la Lune et en utilisant quatre modes d’installation différents (fixe, suivi à
un axe et suivi à deux axes). En calculant les élévations et les azimuts du Soleil à chaque
heure de l’année lunaire 2012 à 2031, nous avons déterminé l’angle d’incidence entre les
rayons solaires et les surfaces, permettant le calcul de l’irradiation sur un cycle de 20 ans,
englobant presque toutes les positions relatives Soleil-Lune à l’échelle humaine. Nous avons
appliqué cette méthode pour comparer l’irradiation reçue par une surface à un axe de suivi
(axe vertical ou horizontal), une surface à deux axes de suivi et une surface fixe avec les
angles d’azimut et de tilt optimaux, le tout en dix emplacements allant de l’équateur aux
pôles. Alors que le suivi à deux axes présente les niveaux d’irradiation les plus élevés, des
irradiations comparables sont observées près des pôles avec un suivi à axe vertical et près
de l’équateur avec un suivi à axe horizontal. En revanche, un système fixe subit une perte
significative d’irradiation par rapport à un suivi à deux axes, allant de 37% à 64%. De
plus, nous avons montré que la visibilité partielle du Soleil entraîne des niveaux d’irradiation
réduits, phénomène particulièrement prononcé près des pôles où le Soleil reste près
de l’horizon. Enfin, nous avons montré qu’il existe une tolérance atteignant un angle de
70° autour des angles optimaux pour le système fixe et les systèmes traqués sur un axe.
Cette tolérance permet d’obtenir 99% de l’énergie maximale reçue par une surface tout en
permettant une marge de précision dans l’installation et le fonctionnement du système.
De plus, cette tolérance permettrait également d’absorber les évolutions des positions du
Soleil au cours du temps pour certains points sur la Lune
Développement de procédé d’assemblage flip chip de cellules solaires III-V/Ge standard pour des applications photovoltaïques à concentration
Full text linkLe photovoltaïque à concentration (CPV) convertit l'irradiance solaire en électricité en utilisant des cellules photovoltaïques hautement efficaces et concentrant la lumière via des lentilles ou des miroirs. Les cellules solaires utilisées dans le CPV sont des cellules multijonction constituées généralement de matériaux III-V/Ge, optimisés pour la conversion de l’irradiance solaire. Bien qu’il détienne le record d'efficacité dans l'énergie solaire avec de 44.4% d’efficacité pour une cellule triple jonction (3J) sous une concentration de 302 soleils et 47.6% pour les cellules 4J sous une concentration de 665 soleils, le CPV peine à rivaliser avec le photovoltaïque au silicium, malgré la moindre efficacité de ce dernier due aux propriétés intrinsèques du silicium. Des contraintes, comme la complexité et la durée de l'assemblage des cellules solaire en module, entravent la compétitivité du CPV. L'actuelle méthode d'assemblage implique plusieurs étapes de connexion filaire (wire bonding et wedge bonding) et de placement de cellules solaires (pick and place), aboutissant à des temps d'assemblage prolongés et des risques de mauvais positionnement des cellules. L'approche flip chip qui est une technique de montage en surface de la microélectronique (SMT) pourrait offrir une alternative prometteuse, réduisant ces limitations. De plus, elle pourrait favoriser une meilleure dissipation thermique grâce au design de l'assemblage. Cette thèse se concentre sur la conception, la fabrication et la caractérisation d'un module photovoltaïque à concentration avec la technique flip chip, excluant le "wire bonding" et compatible avec les standards de fabrication microélectronique
Optimisation de l'orientation d'un panneau photovoltaïque
Full text linkAlors que la demande en énergie continue d'augmenter à l'échelle mondiale, la transition énergétique est un enjeu majeur pour les décennies à venir. Dans ce contexte, le photovoltaïque est une solution d’avenir qui possède un fort potentiel de développement. La puissance de production en énergie solaire sera décuplée ces prochaines années et la diversité des environnements dans lesquels sont installés des panneaux solaires ne va cesser de croître. Cette diversification se traduit par exemple avec l'utilisation de plateformes mobiles sur lesquelles des panneaux photovoltaïques sont installés. Afin de produire un maximum d'énergie pour la période et le lieu d'installation de la remorque, il n'existe aujourd'hui pas de solutions efficaces d'optimisation de l'orientation du panneau. Pour répondre à cette problématique, une nouvelle méthode d'optimisation de l'orientation des panneaux photovoltaïques adaptée aux plateformes mobiles a été développée.
La méthode a été conçue initialement pour optimiser l'orientation d'un panneau installé sur une courte durée. Elle a ensuite été complétée pour optimiser l'orientation d'une installation définitive. Dans ce cas, le scénario d'un ajustement régulier de l'orientation du panneau au cours de l'année a été considéré. Contrairement aux travaux présentés dans la littérature, les dates d'ajustement de l'orientation et les angles qui y sont associés sont des valeurs optimisées par l'algorithme. L'outil d'optimisation a permis de simuler des scénarios de réorientations pour quatre localisations différentes et de conclure quant aux gains d'énergie qui sont possibles grâce à ces réorientations.
En ajustant deux fois l'orientation du panneau au cours de l'année, il est possible de gagner de 3.0 \% à 4.8 \% d'énergie produite supplémentaire comparée à un panneau fixe. Dans le cas d'une installation temporaire, l'utilisation d'un angle optimal pour la période considérée permet de produire jusqu'à 12.6 \% d'énergie supplémentaire.
Une attention particulière a été portée à la réalisation d'une interface utilisateur guidée et à la documentation du code. Le code a été publié sur la plateforme GitLab afin de permettre à un nouvel utilisateur d'obtenir ces résultats de simulation pour un nouveau cas d'étude. Finalement, les travaux de maîtrise présentés permettent d'améliorer les performances des installations photovoltaïques en déterminant des valeurs d'orientations qui maximisent l'énergie produite pour des installations photovoltaïques de courtes durées comme pour des installations définitives
Prédiction de la production électrique d'un module photovoltaïque embarqué sur un véhicule électrique
Full text linkDepuis les accords de Paris en 2015, la lutte contre le réchauffement climatique bat son plein. Le secteur des transports, qui est un contributeur important aux émissions de gaz à effet de serre, nécessite une décarbonation pour atténuer son impact sur l’environnement. Pour relever ce défi, la conception et mise en marché de véhicule électrique ou hybride semble être une solution privilégiée. Néanmoins, ceux-ci étant équipés de batterie électrique se voient confronter à un dilemme opposant le fait d’augmenter leur autonomie et celui d’augmenter les coûts de fabrication en ajoutant d’autres batteries à leurs systèmes. Ainsi, des chercheurs et entreprises tels que CAPSolar ont développé un intérêt particulier pour l'intégration de systèmes photovoltaïques sur les véhicules électriques (ViPV) pour améliorer cette autonomie tant recherchée. Des systèmes photovoltaïques (PV) adaptés pourront être installés sur les toits des véhicules et une fois exposés aux rayons solaires produire de l’énergie qui sera utilisée pour les besoins des automobiles.
Comparé au système PV fixe, il est difficile de prédire l’énergie électrique que fournira un ViPV. En effet, un ViPV sera soumis constamment à différentes variations d’environnement que ce soit au niveau de la température, la position du véhicule par rapport à celle du soleil, la vitesse du vent ou encore l’ombrage urbain.
Cette étude introduit un modèle prédictif pour estimer la production d'énergie du ViPV, en tenant compte de l'ombrage dynamique et des variations environnementales. Le modèle comprend un bloc géométrique pour calculer l'angle d'incidence entre la lumière du soleil et la surface des cellules, un bloc d'irradiation pour estimer l'irradiance totale globale (GTI), et un bloc de prédiction électrique pour déterminer la production d'énergie ViPV.
Un article scientifique décrivant la méthodologie de modélisation du modèle et montrant son application à un autobus urbain électrique à Montréal a été écrit et présenté. Il révèle d'importantes variations d'ombrage tout au long de la journée et de l'année. Les résultats démontrent que la production d'énergie ViPV dépend fortement de facteurs tels que le temps, la saison et l'ombrage, avec des contributions potentielles allant de 1,2 % à 22,4 % des besoins énergétiques du bus. Négliger l'ombrage pourrait entraîner une surestimation de 25 % de la production d'énergie photovoltaïque pendant le solstice d'hiver.
Le modèle proposé offre des informations précieuses sur le potentiel de la technologie ViPV. Il est adaptable pour tester divers scénarios d'application afin de voir comment le ViPV peut contribuer à augmenter l’autonomie des véhicules électriques dans les régions du monde en identifiant les conditions environnementales les plus pertinentes pour leur utilisation
Fabrication de cellules solaires triple jonctions à contacts face arrière
Full text linkLa génération d'électricité par effet photovoltaïque est un axe majeur dans le développement des énergies renouvelables. L'efficacité des cellules en Silicium (Si) ne progresse plus beaucoup. Pour atteindre de plus hautes efficacités, on peut utiliser des cellules multi-jonctions. Basées sur d'autres matériaux semiconducteurs, elles offrent des efficacités plus hautes. Ces cellules existent déjà, mais leur coût élevé les empêche de concurrencer la filière Si. L'approche utilisée est de concentrer la lumière solaire sur des cellules de faible surface grâce à des éléments optiques peu coûteux. Cette approche est appelée "Concentrated Photovoltaics" (CPV). Le prix des modules ainsi créés s'approche des modules Si. La fabrication de cellules plus faciles à assembler permettrait de faire encore baisser ces coûts pour concurrencer le Si.
Le travail décrit ici propose de renvoyer le contact émetteur de la cellule, traditionnellement en face avant, sur la face arrière afin de simplifier l'assemblage des modules voire d'en augmenter l'efficacité. Ce projet est développé sur des cellules solaires triple jonction (InGaP/(In)GaAs/Ge) qui sont les plus utilisées sur le marché. Au meilleur de nos connaissances, de telles cellules avec des contacts en face arrière n'ont jamais été reportées dans la littérature. Ces cellules seraient plus faciles à assembler en module et permettraient même un gain d'efficacité dans les modules de type "Dense Receiver Array" (DRA). Ce projet vise à atteindre une preuve de concept. Ces nouveaux contacts ouvriraient la voie à des améliorations futures de l'efficacité individuelle des cellules. On pourrait par exemple en multipliant les vias de faible dimension supprimer la métallisation avant et son ombrage.
Ce mémoire retrace le développement en salle blanche d'un procédé pour la microfabrication de telles cellules à contacts face arrière. Après avoir expliqué l'intérêt de cette approche et analysé la littérature pour identifier les obstacles technologiques, on analysera les solutions technologiques permettant de les surmonter. La méthodologie employée sera explicitée, puis le procédé de fabrication retenu sera présenté et justifié. Finalement, les résultats de la caractérisation électrique des cellules fabriquées seront présentés et analysés
Étude d’un procédé d’amincissement abrasif pour la fabrication de cellules solaires minces triple-jonctions III-V/Ge
Full text linkLes cellules photovoltaïques multi-jonctions sont des cellules solaires à très haut rendement.
Elles sont historiquement utilisées dans le domaine spatial, notamment sur les satellites,
mais aujourd’hui leur domaine d’application s’est étendu jusque sur terre dans le cadre
de fermes solaires. Malheureusement, leur coût de fabrication reste une grosse contrainte
et limite leur application. C’est avec la technologie du photovoltaïque concentré (CPV),
utilisant concentrateurs et systèmes de suivi solaire, que ce type de cellules devient com-
pétitif sur le marché. Cette étude propose de s’intéresser à l’amincissement de cellules
solaires multi-jonctions. Les perspectives et les intérêts envisagés de cet amincissement
sont prometteurs. Cela pourrait permettre une meilleure gestion de la chaleur induite par
la concentration du soleil et une diminution de la résistance série. De plus, la démonstra-
tion de cellules amincies avec un rendement équivalent aux cellules standards donnerait
encore plus d’intérêt au développement de procédé de recyclage du substrat en vue de ré-
duire le coût de fabrication. Ce procédé pourrait également permettre de réduire le poids
de la cellule, ce qui serait très profitables au domaine spatial où la production électrique
par unité de surface et de poids doit être maximisé. En nous inspirant des technologies 3D
sur silicium, qui utilisent déjà des substrats amincis, nous allons mettre en place un proto-
cole d’amincissement abrasif de substrat en germanium et l’intégrer dans le processus de
fabrication de cellules triple-jonctions. Nous présenterons la caractérisation et la mise en
fonctionnement d’un outil d’usinage par abrasion désormais disponible au 3IT. Les résul-
tats obtenus sur des gaufres de Silicium seront présentés afin de fournir une vue générale
des capacités de l’instrument. L’influence de différents paramètres (notamment de la vi-
tesse d’amincissement) sur la rugosité de surface et sur l’homogénéité de l’amincissement,
seront étudiées. Nous verrons ensuite son application à l’amincissement de substrat en
Germanium avec le développement d’un procédé de fabrication de cellules solaires minces
triple-jonctions comprenant, le collage sur gaufres de Silicium, l’amincissement abrasif et
le collage métallique de report. Nous montrerons qu’il est possible d’amincir le substrat
en Germanium, d’un empilement de matériaux III-V, avec un usinage par abrasion (le
meulage), en mettant notamment en évidence l’importance de la planéité du collage sur
la gaufre support. Nous verrons également que la méthode d’amincissement par abrasion
peut sévèrement endommager la structure et causer des fissurations, que nous pouvons
contrôler avec la vitesse d’amincissement et l’épaisseur de polymère utilisé comme collage.
Enfin nous démontrerons l’amincissement d’une cellule photovoltaïque réduisant l’épais-
seur de son substrat de 170 μm à 40 μm
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